WO2006100398A1 - Procede de reglage d'une installation de traitement par adsorption d'un gaz - Google Patents

Procede de reglage d'une installation de traitement par adsorption d'un gaz Download PDF

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WO2006100398A1
WO2006100398A1 PCT/FR2006/050159 FR2006050159W WO2006100398A1 WO 2006100398 A1 WO2006100398 A1 WO 2006100398A1 FR 2006050159 W FR2006050159 W FR 2006050159W WO 2006100398 A1 WO2006100398 A1 WO 2006100398A1
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bottle
gas
flow
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PCT/FR2006/050159
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Laurent Allidieres
Jean-Christophe Aubel
Caroline Drouart
Yves Engler
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L'air Liquide, Societe Anonyme Pour L'etude Et L'exploitation Des Procedes Georges Claude
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    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
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    • B01D53/00—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols
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    • B01D53/047—Pressure swing adsorption
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    • B01D2259/406—Further details for adsorption processes and devices using more than four beds
    • B01D2259/4067—Further details for adsorption processes and devices using more than four beds using ten beds

Definitions

  • the present invention relates to methods of controlling a gas adsorption treatment plant subjected to flow through said plant and to adsorption gas treatment processes.
  • EP-A-I 336 910 describes an example of such a treatment plant, conventionally designated by the acronym PSA (Pressure Swing Adsorption).
  • a gas such as at least two bottles comprising an adsorbent (ten bottles in the example of the cited document), each bottle comprising one or more layers of adsorbents, such as for example, and non-limiting way, a molecular sieve, activated carbon or alumina, a supply line supplying a gas mixture to the installation, a production line delivering from the installation a purified gas, a gas collection pipe residual gas supplying from the installation a gas containing impurities of the incoming gas.
  • the above-mentioned members are interconnected by pipes each carrying at least one valve allowing the passage or not of gas between two bodies.
  • a method for adjusting a control unit of a adsorption gas treatment plant said installation being intended to implement a gas production process during which a feed gas loaded with impurities is supplied to the installation, to produce at least one gas from the purification feed gas, said production process comprising a plurality of steps, during which a gas is flowed into said plant, said flow having a number of flow characteristic parameters, said plant comprising a plurality of organs: a feed line for a feed gas to be purified by adsorption, - a purified gas production line, a waste gas discharge line containing impurities in the feed gas, a plurality of bottles containing at least one adsorbent material, said apparatus further comprising: a plurality of connecting lines, each interconnecting two of said members, a valve on each of said connecting lines, each valve being adapted to be selectively closed to prohibit a flow of gas in the connection line, or open according to a variable opening parameter, to allow a flow
  • control unit can be set once and for all from characteristic parameters related to the installation and the flow, which allows the installation to be easily configured at startup, and be automatically reconfigured during a change of feed gas, for example.
  • the corrective parameter is a proportional corrective parameter applied to an error between the function of the current setpoint and the function of the current measured value
  • the control unit is adapted to controlling the opening of the valve according to further an earlier opening parameter for the valve, an earlier value of the predictive parameter, said proportional correcting parameter applied to an error between the function of an earlier setpoint value for the physical parameter of the the flow and function of an earlier measured value for the physical parameter of the flow, and a second integral correction parameter applied to said error between the function of a current setpoint for the physical parameter of the flow and the function of a current measured value for the physical parameter of the flow, during the step (a) of the adjustment method, said second integral corrector parameter is set according to said characteristic parameters of installation and 'flow; during the implementation of the gas production method, the control unit is adapted to control the opening of the valve according to furthermore an earlier opening parameter for the valve, and an earlier value of the predictive parameter, and where
  • the invention relates to a method of producing gas by adsorption by means of a an installation comprising a control unit controlled by such a control method, said gas production method comprising a plurality of distinct steps extending between a beginning of phase and an end of phase, during each of which, for at least a system comprising first and second members, a connecting line connecting said first and second members together, a valve on said connecting line, a gas flowing between the first and second members during said step, Repeatedly the following steps:
  • valve opening timing parameter as a function of time, installation and flow characteristic parameters, and said setpoint value for the physical flow parameter
  • step (e) calculating the value of said opening parameter as a function of the correction parameter set in step (a), applied to the error between the function of said measured value and the function of said setpoint value for said physical parameter the flow and the opening forecast parameter.
  • a point of operation of the system is measured at the beginning of the step, and during step (e), said error is calculated by applying to said measured value and to said setpoint a nonlinear normalization function at the operating point; the following steps are furthermore carried out repeatedly:
  • the first member is a first bottle containing an adsorbent
  • the second member is a second bottle containing an adsorbent
  • said production method comprising a balancing step during which a gas flows in the connecting line from the first line the second bottle until a pressure difference value between the pressure in the second bottle and the pressure in the first bottle reaches a given value, and in which at least steps (b) are implemented to (e) with as a physical parameter of the flow a pressure difference between the first and the second bottle
  • the first member is a first bottle comprising an adsorbent
  • the second member is a second bottle containing an adsorbent
  • said production method comprising an elution step, during which a gas flows in the connecting line of the first to the second bottle for rinsing said second bottle, and during which is implemented at least steps (b) to
  • the invention relates to a program comprising program code means adapted to implement such a method when said program is executed on a programmable machine.
  • the invention relates to a gas produced by such a method.
  • FIG. 1 is a schematic view of an installation for treating a gas by adsorption
  • FIG. 2 is a diagram of the operating cycle of the adsorbers of the installation of the Figure 1 on which different operating phase times a, b, ..., j are shown
  • FIGS. 31 to 3X are diagrams respectively associated with the adsorbers of the installation of FIG. 1 and illustrating a single phase time of the cycle of FIG. 2
  • Figure 4 shows a block diagram of a valve control method
  • FIG. 5a and 5b are time graphs respectively representing a pressure difference setpoint and the CV over time for a balancing step;
  • Figure 6 shows a system subjected to an elution step;
  • FIG. 7 represents a system subjected to a depressurization step;
  • FIG. 8 represents a system subjected to a balancing step;
  • FIG. 9 represents a system subjected to a final repressurization step,
  • FIG. 10 represents a system subjected to a combined balancing and continuous repressurization step,
  • FIG. 11 is an operating cycle diagram similar to FIG. second gas treatment plant, and
  • Figure 12 shows a system subjected to a combined balancing and continuous repressurization step for the second installation.
  • the same references designate identical or similar elements.
  • FIG. 1 an installation 10 for treating a flow of impure gas, such as impure hydrogen.
  • the installation is intended to purify this hydrogen flow of impurities that it contains, such as only water, carbon monoxide, nitrogen, methane, carbon dioxide, hydrocarbons, etc.
  • the installation 10 comprises a number of organs containing gas, such as a pipe 1 for supplying hydrogen to be purified, a pipe 2 for producing purified hydrogen and ten adsorbers, respectively referenced R1, R2, R3, ..., R9 and RO.
  • Each adsorber comprises a bottle containing one or more adsorbent materials able to retain all or part of the aforementioned impurities when they are swept by the flow of hydrogen to be treated. This or these materials are regenerable, that is to say they are able to restore impurities previously adsorbed.
  • the installation 10 comprises a pipe 5 for discharging the waste gas charged with desorbed impurities from the adsorbers which regenerate.
  • the installation 10 may also include a supply line of an elution gas GE, for example taken from the production line 2.
  • the installation 10 also comprises on the one hand connection lines, including the line 7, between the aforementioned pipes 1, 2 and 5 and the adsorbers R1 to RO, and secondly, connecting pipes 3, 4 and 6 connecting the adsorbers R1 to RO between them, one of the connecting pipes 4 being connected to the GE elution gas supply line.
  • connection lines 3, 4, 6 and 7 will become clearer in the description of the operation of the installation 10.
  • all these connecting lines are provided with gas flow control valves which crosses, whose arrangement will also appear in the description of the operation of the installation.
  • the installation 10 further comprises a unit 8 for controlling the adsorber valves of the installation.
  • the details of programming and operation of this unit will be developed later.
  • detection devices such as a pressure sensor for each bottle, or a flow sensor for each pipe.
  • FIG. 2 illustrates an operating cycle of the installation 10.
  • the lines indicated by arrows indicate the movements and destinations of the gaseous currents, and in addition, the direction of flow in respectively the adsorbers R1 to RO: when an arrow is in the direction of increasing ordinates (towards the top of the diagram), the current is said to co-current in the adsorber.
  • the current enters the adsorber through the inlet end of this adsorber; if the upward arrow is located above the pressure line, the stream exits the adsorber through the outlet end of this adsorber, the inlet and outlet ends being respectively those of the gas to be treated and gas withdrawn during the production phase; when an arrow is in the direction of decreasing ordinates (towards the bottom of the diagram), the current is said against the current in the adsorber.
  • each adsorber Rl to RO follows the cycle of Figure 2, being staggered with respect to f adsorber preceding a term called "phase time" and equal to the cycle duration T divided by the number of adsorbers in function (here, by ten). The cycle of FIG.
  • phase time / adsorbers thus comprises ten phase times and illustrates the duality "phase time / adsorbers", namely that at any instant of the operation of the installation 10, each adsorber is in a different phase of time, this which amounts to saying that the state of operation of an adsorber is, at any time of the operation of the installation, determined by the phase time in which this adsorber is.
  • the operation of the installation 10 will first be explained by simply describing the operation of the adsorbers R1 to RO during a single phase time, it being understood that the operation of the adsorbers during the rest of the cycle is deduced by repetition by shifting. the order of the adsorbers.
  • these valves will be designated for the description of this installation by the letter V followed by two characters X, Y according to the following conventions: X is the number of the adsorber with which the valve is associated, and
  • Y is the number of a set of valves having the same function and associated with one of the pipes of the installation, the number 1 being associated with a "supply" function of the supply pipe 1, the number 2 being associated with a "production” function of the production pipe 2, the number 3 being associated with a “lower pressure balancing” function of the connecting pipes 3, the number 4 being associated with an “elution” function of the connecting pipes 4, the No. 5 being associated with a "waste gas evacuation” function of line 5, the number 6 being associated with a “higher pressure balancing” function of the connecting lines 6, and the number 7 being associated with a “final repressurization” function "of the connecting pipe 7.
  • valves for implementing the operation of the installation 10 is deliberately simplified, both for convenience of description and representation; particular arrangements, including in particular fewer valves through transverse conduits to the entire installation for example, are within the reach of those skilled in the art without departing from the scope of the invention.
  • valves Vl1 and V12 are open to ensure the production of a portion of the stream of purified hydrogen
  • valves V26, V27 and V96 are open to allow at least a part of the flows coming respectively from the adsorbers R1, R9 and RO to recompress the adsorber R2; the valves V33 and V83 are open to allow, by the flow from the adsorber R8, to recompress the adsorber R3; the valves V64 and V65 are open to enable the pressure of the adsorber R6 to be brought to the low pressure of the cycle and to allow the elution of the adsorbent material of the bottle R6; and
  • valves V54 and V74 are open to enable the adsorber R5 to be eluted by the flow coming from the adsorber R7.
  • valve V33 is closed and the valve V43 is opened to allow the repressurization of the adsorber R4 to begin; the valves V44 and V45 are closed, the entire flow coming from the adsorber R7 then supplying the adsorber R5; and the V36 and V96 valves are open to allow to recompress more advantage of the adsorber R3 by the stream from R9.
  • the set of control operations of the valves of the installation, for the ten phases of the cycle phase, forms what is common to call a control sequencer of the unit 8, which is to be implemented.
  • parameters are introduced: at each successive phase time of the cycle, there is associated a parameter for identifying the operating state of the adsorber which is in this phase phase.
  • the state parameter j is associated with the phase time in which the adsorber begins its adsorption
  • the state parameter i is associated with the phase time that follows and in the adsorber completes its adsorption
  • the state parameter h is associated with the following phase time and wherein the adsorber begins to depressurize, and so on for the parameters g, f, e, d, c, b, and a.
  • These state parameters are indicated on the abscissa of the diagram of FIG. 2. It is thus necessary to introduce as many parameters as there is phase time.
  • these parameters are said to be “mobile” in the sense that they can correspond to any one of the ten adsorbers, depending on the moment considered in the cycle.
  • a parameterized sequence of control steps of the plant 10 is defined for only a given phase time, each adsorber not being marked by its number, but by the identification parameter of the operating state of this device. adsorber during the period of time relative to the selected phase time. In other words, this amounts to describing the operation of the installation over a given phase time, in the same way as has been described with reference to FIGS. 31 to 3X, but by identifying each adsorber by one of the parameters variables a, ..., j, depending on the chosen phase time.
  • the opening of each of the valves of the installation is characterized by an opening parameter of the valve.
  • the parameter used is obtained from the CV of the valve, parameter proportional to the flow rate passing through the valve. From the CV, the opening parameter of the valve (opening percentage) is obtained, for example by applying a linear or non-linear relationship provided by the valve manufacturer. Nevertheless, any type of parameter that is suitable in the context of the invention, such as the position of the valve, or the like, can be used.
  • the method described below is implemented, presented in a synthetic manner in the figure. 4.
  • a set value is calculated for a physical parameter of the flow such as the pressure difference between the two organs, from the setpoint
  • a provisional CV is calculated for the valve in question
  • a real value of the physical parameter of the flow is measured, such as a real pressure difference between the two adsorbent bottles
  • the CV control to be applied to the valve is calculated from the projected CV
  • a correction parameter applied to the error between a function of the measured value and the function of the set value for the physical parameter of the flow, such as the difference in measured pressure and the setpoint value for the pressure difference, the opening of the valve is modified (if necessary).
  • the regulation can be implemented as a function of the pressure difference, or of an appropriate function y of this pressure difference, which can be, for example, the identity function, a normalization function, a square root, or other ...
  • the physical parameter of the flow may be a pressure difference, a flow, or any other appropriate parameter.
  • a physical parameter of the flow as part of the tuning process, the rate of attrition in a cylinder supplying the gas during a balancing step, or the outflow for elution or depressurization of the production process.
  • the corrective parameter (s) are fixed once and for all, for each step chosen from an elution, equilibration, depressurization, continuous repressurization or final repressurization step, when implementing a control method. of the control unit of the installation during which the corrective parameter or parameters are defined as explained below in relation to FIGS. 6 to 12.
  • the setpoint value is calculated at each time t, by linear example, as shown in Figure 5a, between the pressure difference measured at the beginning of the step time and the pressure difference setpoint to be obtained at the end of the step time:
  • ⁇ P (t) is the pressure difference at time t
  • ⁇ P m ⁇ 1 is the pressure difference at the beginning of the stage time
  • Final AP is the pressure difference setpoint at the end of the step time
  • t is the timer of the considered step
  • Tsp is the expected duration of the step considered.
  • the set value could be obtained by any other appropriate decreasing function such as a square, exponential, or other.
  • the CV is kept constant during a transient period at the beginning of each step, for a few tenths of seconds to a few seconds (for example from 1 to 5 seconds), before implementing the method here described. During this transient period, the flow rate and the variation of pressure can be installed.
  • CV a comparison of the calculated CV control with the maximum permissible CV for the valve, otherwise calculated to maintain a correct flow velocity in the valve, and the maximum CV is sent to the valve if the calculated CV command is greater than the maximum CV.
  • Pamont is the upstream pressure of the [bara] valve
  • ⁇ P is the pressure difference between the upstream pressure and the downstream pressure [barg],
  • Fp is a geometry factor related to the adjustment of the valve to the piping [without unit]
  • F k k / 1.40
  • Sg is the specific gravity of gas relative to air [without unit],
  • T is the upstream temperature of the gas [K]
  • Z is the gas compressibility factor [without unit].
  • Figures 6 to 10 show models of different stages of the gas production process each making it possible to determine a corrector parameter value to be adjusted for the control unit during the implementation of the adjustment method according to the invention.
  • Fig. 6 shows an elution step between the bottle Rf and the bottle Rd (Fig. 2).
  • the valves Vf4 and Vd5 are fully open during this step, the valve Vd4 being controlled.
  • ⁇ P fina i, sp is the final pressure difference setpoint for the elution step
  • ⁇ P init is the pressure difference measured at the beginning of the elution step
  • imt is the pressure in line 5, measured at the beginning of the elution stage
  • T SP is the duration setpoint of the elution step.
  • Equation (5) where saturation means that ⁇ P can not fall below 0. Equation (5) is written in terms of transfer function as a saturated full system:
  • the factor K thus obtained depends solely on the characteristic parameters of the installation F p and V eq , and on the characteristic parameters of the flow S g , T and Z.
  • Y is considered constant equal to 0.67.
  • the Ziegler method can be used.
  • K P 1 / K ⁇ .
  • ⁇ can for example be determined by simulation, disrupting the process to be regulated. This parameter may for example be chosen between about 5 seconds and 100 seconds.
  • a sufficiently large choice of ⁇ makes it possible to avoid excessive oscillations of CV.
  • a sufficiently small choice of ⁇ makes it possible to reach the required pressures.
  • Ki also depends solely on the characteristic parameters of the installation and the flow. The real CV is written then:
  • the opening parameter of the valve is obtained directly from the predictive valve opening parameter and the proportional corrective parameter applied to the error between the function of the valve. current setpoint and the function of the current measured value.
  • the CV is furthermore obtained from an integral correction parameter applied to this error, from an earlier value of the opening parameter, from an earlier value of the opening provisional parameter and from Proportional correction parameter applied to an earlier value of the error.
  • a regulation problem will not lead to a flow at a speed too fast in the bottles.
  • a regulation problem could for example be due to a too high setting of a corrector or the failure of a sensor whose measurement is used by the corrector.
  • the speed of the gas in the bottle can for example be written:
  • v is the speed at the top or the bottom of the bottle [m / s]
  • T ads is the temperature in the bottle [K]
  • P ads is the pressure in the bottle [bara]
  • S ads is the section of the bottle [m 2 ].
  • D e is the average equivalent diameter of the adsorbent in the bottle [m]
  • p ads is the average density of the adsorbent in the bottle [kg / m 3 ]
  • p gas is the density of the gas [kg / Nm 3 ].
  • CV MAX thus defined does not depend on the density of the gas, which is interesting in the event of an unidentified problem on a gas.
  • the CV MAX can be used as part of the regulation, by modifying, according to this variant embodiment, the equation (8) in the following way, to implant the saturation with CV MAX inside the integrator:
  • CV min [max [Z- 1 CV + (1 - z "1 ) (CV predict + K p ⁇ ) + K ⁇ ⁇ ; 0]; CVM A X], (12).
  • valve V d4 is thus regulated in pressure.
  • Fig. 7 shows a depressurization step of the bottle Re (Fig. 2).
  • the valve Ve5 is controlled during this step.
  • the second member here is the exhaust gas discharge pipe 5.
  • ⁇ P init is the pressure difference measured at the beginning of the depressurization step
  • T SP is the time setpoint of the depressurization step.
  • the factor K thus obtained depends solely on the characteristic parameters of the installation F p and V eq , and on the characteristic parameters of the flow S g , T and Z.
  • Y is considered constant equal to 0.83.
  • CV min [max [Z- 1 CV + (1-z "1 ) ( previslocal CV + K p ⁇ ) + K ⁇ ⁇ ; 0]; CV MAX ], (18), x being for example equal to 160% for the depressurization step, thus regulating the pressure of valve V e5 .
  • Figure 8 shows a balancing step
  • ⁇ P fl nai sp is the final pressure difference setpoint for the balancing step (for example equal to 0)
  • ⁇ P init is the pressure difference measured at the beginning of the balancing step
  • T SP is the duration setpoint of the balancing step.
  • Equation (23) is also written, in terms of transfer function, as a saturated integral system
  • the factor K thus obtained depends solely on the characteristic parameters of the installation F p and V eq , and on the characteristic parameters of the flow S g , T and Z.
  • Y is considered constant equal to 0.8.
  • valve V b3 is thus regulated in pressure.
  • Figure 9 shows a step of final repressurization (right of column a) between bottle Rj and bottle Ra (FIG 2).
  • the valve Vj2 is fully open during this step, the valve Va7 being controlled.
  • the pressure Pa of the bottle Ra is subjected to the relationship: dPa _Q VS 1 ⁇ 7 -, (26) dt 3600 ⁇
  • Pprod, imt is the production pressure measured at the beginning of the final repressurization stage
  • S P is the final pressure difference set point for the final repressurization step
  • ⁇ P ⁇ mt is the pressure difference measured at the beginning of the final repressurization step
  • T sp is the duration setpoint of the final repressurization step.
  • Equation (29) is written in terms of transfer function as a saturated integral system:
  • the factor K thus obtained depends solely on the characteristic parameters of the installation F p and V eq , and on the characteristic parameters of the flow S g , T and Z.
  • Y is considered constant equal to 0.9.
  • the system is linearized with respect to CV by regulating, not with respect to arcsinh [V ( ⁇ P / P prod , init )] but directly with respect to [V ( ⁇ P / Pp rod , init )].
  • the CV MAX can be used as part of the regulation, modifying the equation (8) to implement CV MAX saturation within the integrator.
  • the valve V a7 is thus regulated in pressure.
  • Fig. 10 shows a balancing step with continuous repressurization between the bottle R 1 and the bottle Ra (Fig 2 left of column a).
  • the valves Vj 2 and Vh ⁇ are full open. Valves Va ⁇ and Va7 are piloted.
  • valve V a6 is thus regulated in pressure.
  • the factor K thus obtained depends solely on the characteristic parameter of the installation F p and the characteristic parameters of the flow S g , T and Z.
  • Y is considered constant equal to 0.9.
  • the flow instruction can for example be obtained from the average of the difference between the input flow of the installation and the production flow during the previous phase time (in its "final repressurization" part).
  • This setpoint calculated as a difference, is not strictly equal to the flow rate in the continuous repressurization valve because there is a bias related to the adsorption in the cylinder in production. However, it becomes consistent if the measure used by the regulator is also the difference between the two flows. If the input flow is caused to change, a correction coefficient can be applied to the setpoint thus obtained.
  • the continuous repressurization valve is thus set to a flow rate according to a model of proportional gain type K. If a first closed-loop order of time constant ⁇ is considered, then the associated corrector is an integrating corrector.
  • ⁇ can for example be determined by simulation, disrupting the process to be regulated.
  • This parameter may for example be chosen between about 5 seconds and 100 seconds.
  • the valve V a7 is thus regulated in pressure.
  • the repressurization is done from the production cylinder connected to the production line 2.
  • the repressurization could be carried out from the supply line 3, using as a physical parameter of the flow, a pressure difference between the bottle in production and the bottle being repressurized.
  • the invention has been described here for a normal cycle of operation of a PSA. However, it can quite apply to an exceptional cycle of PSA, such as for example an 8 bottle cycle when at least one bottle is in maintenance, or other.
  • valve V23 is located downstream of the junction between the connecting pipes 6 and 7, which is not the case in FIG. 9.
  • FIG. 12 represents the combined balancing model and the continuous repressurization for this second exemplary embodiment.
  • Valves V43 and V12 are fully open during this step, valve V87 (or repressurization valve) and valve V23 (or balancing valve) are controlled.
  • x 0.6 will be used to determine the safety factor linked to the bottle R4. In this way, the valve V2 3 is regulated.
  • this periodicity can be set according to the slope of the pressure ramp to be carried out, for example between 0.1 and 10 seconds.
  • the invention is thus not limited to the two examples of installation presented here, but the skilled person will be able to implement the models corresponding to a new installation, as described here, to regulate the flow in the valves.
  • the regulation described here is easily transposed from one installation to another because the process parameters are automatically taken into account in the variable K during the settings.
  • the method for adjusting the correcting parameters of the control unit of the valves of an adsorption gas production installation is implemented by a software adapted to adjust the correctors according to the parameters of flow characteristics, installation and the parameters ⁇ and ratio entered by the user, for example a supervision software.
  • the control unit controls the installation from a PLC program taking into account the corrective parameters set to control the opening of the valves.

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Abstract

Procédé de réglage d'une unité de commande d'une installation de traitement d'un gaz par adsorption, comprenant : au moins un premier et un deuxième organes (2, 5, R0, ..., R9) recevant un gaz, - une conduite de raccordement (3, 4, 6, 7) reliant entre eux les premier et deuxième organes, une vanne sur la conduite de raccordement, ladite vanne étant sélectivement fermée ou ouverte selon un paramètre variable d'ouverture de la vanne. L'unité de commande commande l'ouverture de la vanne selon le paramètre d'ouverture, sur la base d'un paramètre d'ouverture antérieur pour la vanne, d'un paramètre prévisionnel d'ouverture de la vanne et d'au moins un paramètre correcteur. Le procédé comprend une étape (a) au cours de laquelle on règle le paramètre correcteur en fonction de paramètres de l'installation et de l'écoulement.

Description

PROCEDE DE REGLAGE D ' UNE INSTALLATION DE TRAITEMENT PAR ADSORPTION D ' UN GAZ
La présente invention est relative aux procédés de réglage d'une installation de traitement par adsorption d'un gaz soumis à un écoulement à travers ladite installation et aux procédés de traitement de gaz par adsorption.
Le document EP-A-I 336 910 décrit un exemple d'une telle installation de traitement, classiquement désignée par l'acronyme anglais PSA (Pressure Swing Adsorption). Une telle installation comprend différents organes recevant un gaz, tels qu'au moins deux bouteilles comprenant un adsorbant (dix bouteilles dans l'exemple du document cité), chaque bouteille comprenant une ou plusieurs couches d' adsorbants, tel que par exemple, et de façon non limitative, un tamis moléculaire, du charbon actif ou de l'alumine, une conduite d'alimentation amenant un mélange gazeux à l'installation, une conduite de production délivrant depuis l'installation un gaz purifié, une conduite de collecte de gaz résiduaire délivrant depuis l'installation un gaz contenant des impuretés du gaz entrant. En outre, les organes sus-nommés sont reliés entre eux par des conduites portant chacune au moins une vanne permettant le passage ou non de gaz entre deux organes.
Une telle installation apporte toute satisfaction. Néanmoins, afin de s'assurer de la durée de vie de l'installation et/ou de la qualité du gaz produit, et/ou de la qualité de l'écoulement de gaz produit, un soin tout particulier est à apporter à l'écoulement du gaz dans l' installation.
A cet effet, selon l'invention, on prévoit un procédé de réglage d'une unité de commande d'une installation de traitement de gaz par adsorption, ladite installation étant destinée à mettre en œuvre un procédé de production de gaz au cours duquel un gaz d'alimentation chargé en impuretés est fourni à l'installation, pour produire au moins un gaz provenant de la purification du gaz d'alimentation, ledit procédé de production comprenant une pluralité d'étapes, au cours desquelles un gaz est soumis à un écoulement dans ladite installation, ledit écoulement présentant un certain nombre de paramètres caractéristiques d'écoulement, ladite installation comprenant une pluralité d'organes : une conduite d'alimentation en un gaz d'alimentation à purifier par adsorption, - une conduite de production d'un gaz purifié, une conduite d'évacuation d'un gaz résiduaire, contenant des impuretés du gaz d'alimentation, une pluralité de bouteilles contenant au moins un matériau adsorbant, ladite installation comprenant en outre : une pluralité de conduites de raccordement, chacune reliant entre eux deux desdits organes, une vanne sur chacune desdites conduites de raccordement, chaque vanne étant adaptée pour être sélectivement fermée pour interdire un flot de gaz dans la conduite de raccordement, ou ouverte selon un paramètre d'ouverture variable, pour autoriser un flot de gaz dans la conduite de raccordement, un système étant défini par deux organes reliés entre eux par une conduite de raccordement munie d'une vanne, ladite installation présentant un certain nombre de paramètres caractéristiques d'installation, et ladite unité de commande, adaptée pour commander l'ouverture de la vanne selon un paramètre d'ouverture pour chaque système, pour chaque étape, pour chaque système, un dispositif de détection adapté pour mesurer une valeur mesurée d'un paramètre physique de l'écoulement de gaz pour le système, ladite unité de commande étant adaptée pour calculer, pour chaque système, un paramètre prévisionnel d'ouverture de la vanne, une valeur de consigne pour ledit paramètre physique de l'écoulement, une erreur entre une fonction de ladite valeur de consigne et la fonction de ladite valeur mesurée, ladite unité de commande étant adaptée pour commander l'ouverture de la vanne selon ledit paramètre d'ouverture pour chaque système, pour chaque étape, sur la base au moins dudit paramètre prévisionnel d'ouverture de la vanne, et d'au moins un paramètre correcteur appliqué à ladite erreur, ledit procédé de réglage comprenant une étape (a) au cours de laquelle on règle ledit paramètre correcteur en fonction desdits paramètres caractéristiques d'installation et d'écoulement.
Grâce à ces dispositions, on peut régler une fois pour toutes l'unité de commande à partir de paramètres caractéristiques liés à l'installation et à l'écoulement, ce qui permet à l'installation d'être facilement configurée au démarrage, et d'être automatiquement reconfigurée lors d'un changement de gaz d'alimentation, par exemple.
Dans des modes de réalisation préférés de l'invention, on peut avoir recours en outre à l'une et/ou à l'autre des dispositions suivantes : - le paramètre correcteur est un paramètre correcteur proportionnel appliqué à une erreur entre la fonction de la valeur de consigne actuelle et la fonction de la valeur mesurée actuelle ; lors de la mise en œuvre du procédé de production de gaz, l'unité de commande est adaptée pour commander l'ouverture de la vanne selon en outre un paramètre d'ouverture antérieur pour la vanne, une valeur antérieure du paramètre prévisionnel, ledit paramètre correcteur proportionnel appliqué à une erreur entre la fonction d'une valeur de consigne antérieure pour le paramètre physique de l'écoulement et la fonction d'une valeur mesurée antérieure pour le paramètre physique de l'écoulement, et d'un deuxième paramètre correcteur intégral appliqué à ladite erreur entre la fonction d'une valeur de consigne actuelle pour le paramètre physique de l'écoulement et la fonction d'une valeur mesurée actuelle pour le paramètre physique de l'écoulement, au cours de l'étape (a) du procédé de réglage, on règle ledit deuxième paramètre correcteur intégral en fonction desdits paramètres caractéristiques d'installation et d'écoulement; lors de la mise en œuvre du procédé de production de gaz, l'unité de commande est adaptée pour commander l'ouverture de la vanne selon en outre un paramètre d'ouverture antérieur pour la vanne, et une valeur antérieure du paramètre prévisionnel, et dans lequel le paramètre correcteur est un paramètre correcteur intégral appliqué à l'erreur entre la fonction de ladite valeur de consigne antérieure et la fonction de ladite valeur mesurée antérieure, procédé de réglage pendant lequel, au cours de l'étape (a), on règle ledit paramètre correcteur intégral en fonction de paramètres de l'installation et de l'écoulement ; - lors de la mise en œuvre du procédé de production de gaz, l'unité de commande est adaptée pour commander l'ouverture de la vanne selon en outre une valeur maximale autorisée pour ledit paramètre d'ouverture.
Selon un autre aspect, l'invention concerne un procédé de production de gaz par adsorption au moyen d'une installation comprenant une unité de commande réglée par un tel procédé de réglage, ledit procédé de production de gaz comprenant une pluralité d'étapes distinctes s 'étendant entre un début de phase et une fin de phase, au cours de chacune desquelles, pour au moins un système comprenant un premier et un deuxième organes, une conduite de raccordement reliant entre eux lesdits premier et deuxième organes, une vanne sur ladite conduite de raccordement, un gaz s 'écoulant entre le premier et le deuxième organe pendant ladite étape, on met en œuvre de manière répétée les étapes suivantes :
(b) on calcule la valeur de consigne pour le paramètre physique de l'écoulement,
(c) on mesure, par le dispositif de détection, ladite valeur mesurée dudit paramètre physique de
1' écoulement,
(d) on calcule le paramètre prévisionnel d'ouverture de la vanne en fonction du temps, des paramètres caractéristiques d'installation et d'écoulement, et de ladite valeur de consigne pour le paramètre physique de l'écoulement, et
(e) on calcule la valeur dudit paramètre d'ouverture en fonction du paramètre correcteur réglé à l'étape (a), appliqué à l'erreur entre la fonction de ladite valeur mesurée et la fonction de ladite valeur de consigne pour ledit paramètre physique de l'écoulement et du paramètre prévisionnel d'ouverture.
Dans des modes de réalisation préférés de l'invention, on peut éventuellement avoir recours en outre à l'une et/ou à l'autre des dispositions suivantes : on mesure un point de fonctionnement du système en début d'étape, et pendant l'étape (e) , ladite erreur est calculée en appliquant à ladite valeur mesurée et à ladite valeur de consigne une fonction non-linéaire de normalisation au point de fonctionnement; on met en outre en œuvre de manière répétée les étapes suivantes :
(f) on calcule une valeur maximale autorisée pour le paramètre d'ouverture, en fonction du temps, des paramètres caractéristiques de l'installation et de l'écoulement, et de ladite valeur mesurée pour le paramètre physique de
1' écoulement,
(g) on compare ladite valeur maximale autorisée à la valeur calculée à l'étape (e) et, si ladite valeur maximale autorisée est inférieure à ladite valeur calculée, on utilise ladite valeur maximale autorisée à la place de ladite valeur calculée ; le premier organe est une première bouteille contenant un adsorbant, le deuxième organe est une deuxième bouteille contenant un adsorbant, ledit procédé de production comprenant une étape d'équilibrage au cours de laquelle un gaz s'écoule dans la conduite de raccordement depuis la première vers la deuxième bouteille jusqu'à ce qu'une valeur de différence de pression entre la pression dans la deuxième bouteille et la pression dans la première bouteille atteigne une valeur donnée, et au cours de laquelle on met en œuvre au moins les étapes (b) à (e) avec comme paramètre physique de l'écoulement une différence de pression entre la première et la deuxième bouteille ; - le premier organe est une première bouteille comprenant un adsorbant, le deuxième organe est une deuxième bouteille contenant un adsorbant, ledit procédé de production comprenant une étape d'élution, au cours de laquelle un gaz s'écoule dans la conduite de raccordement de la première à la deuxième bouteille pour rincer ladite deuxième bouteille, et au cours de laquelle on met en œuvre au moins les étapes (b) à (e) avec comme paramètre physique de l'écoulement une différence de pression entre la première et la deuxième bouteille ; - ladite installation comprend une conduite de production délivrant un gaz produit par l'installation et une conduite d'alimentation en gaz alimentant ladite installation, le deuxième organe est une deuxième bouteille contenant un adsorbant, ledit procédé de production comprenant une étape de repressurisation finale au cours de laquelle un gaz s'écoule dans une conduite de raccordement vers la deuxième bouteille pour augmenter une valeur de pression dans la deuxième bouteille, et au cours de laquelle on met en œuvre au moins les étapes (b) à (e) avec comme paramètre physique de l'écoulement une différence de pression entre une première bouteille reliée à l'une des conduites de production et d'alimentation et la deuxième bouteille ; le premier organe est une première bouteille contenant un adsorbant, le deuxième organe est une conduite d'évacuation de gaz résiduaire, ledit procédé de production comprenant une étape de dépressurisation au cours de laquelle un gaz s'écoule dans la conduite de raccordement entre la première bouteille et la conduite d'évacuation jusqu'à atteindre un niveau de pression basse pour la première bouteille, et au cours de laquelle on met en œuvre au moins les étapes (b) à (e) avec comme paramètre physique de l'écoulement une différence de pression entre la première bouteille et la conduite d'évacuation de gaz résiduaire ; ladite installation comprend en outre une conduite d'alimentation en gaz alimentant ladite installation selon un débit d'alimentation, une conduite de production de l'installation délivrant un gaz produit selon un débit de production, et une bouteille d'équilibrage, un gaz s' écoulant de la bouteille d'équilibrage à une deuxième bouteille pendant une étape d'équilibrage jusqu'à ce qu'une valeur de différence de pression entre la pression dans la deuxième bouteille et la pression dans la bouteille d'équilibrage atteigne une valeur donnée, le premier organe est une première bouteille reliée à une des conduites d'alimentation et de production, le deuxième organe est ladite deuxième bouteille, ledit procédé de production comprenant une étape de repressurisation continue au cours de laquelle un gaz s'écoule dans la conduite de raccordement entre ladite conduite et la deuxième bouteille jusqu'à obtenir une pression de fonctionnement dans la deuxième bouteille, et au cours de laquelle on met en œuvre au moins les étapes
(b) à (e) avec comme paramètre physique de l'écoulement une différence entre le débit de production et le débit d'alimentation ;
- au cours d' au moins une étape de procédé de production, on ne met en œuvre au moins l'étape (e) qu'après un délai transitoire en début de l'étape de procédé de production, ledit délai transitoire étant d'une durée suffisante pour que le paramètre physique de l'écoulement prenne une valeur représentative. Selon un autre aspect, l'invention se rapporte à un programme comprenant des moyens de code de programme adaptés pour mettre en œuvre un tel procédé quand ledit programme est exécuté sur une machine programmable.
Selon encore un autre aspect, l'invention se rapporte à un gaz produit par un tel procédé.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront au cours de la description suivante d'une de ses formes de réalisation, donnée à titre d'exemple non limitatif, en regard des dessins joints. Sur les dessins : la figure 1 est une vue schématique d'une installation de traitement d'un gaz par adsorption ; la figure 2 est un diagramme du cycle de fonctionnement des adsorbeurs de l'installation de la figure 1 sur laquelle différents temps de phase de fonctionnement a, b, ... , j sont représentés ; les figures 31 à 3X sont des diagrammes respectivement associés aux adsorbeurs de l'installation de la figure 1 et illustrant un seul et même temps de phase du cycle de la figure 2 ; la figure 4 représente un schéma de principe d'un procédé de régulation de vanne ; les figures 5a et 5b sont des graphiques temporels représentant respectivement une consigne d'écart de pression et le CV au cours du temps pour une étape d'équilibrage ; la figure 6 représente un système soumis à une étape d' élution ; - la figure 7 représente un système soumis à une étape de dépressurisation ; la figure 8 représente un système soumis à une étape d'équilibrage ; la figure 9 représente un système soumis à une étape de repressurisation finale, la figure 10 représente un système soumis à une étape combinée d'équilibrage et de repressurisation continue, la figure 11 est un diagramme de cycle de fonctionnement similaire à la figure 2 pour une deuxième installation de traitement de gaz, et la figure 12 représente un système soumis à une étape combinée d'équilibrage et de repressurisation continue pour la deuxième installation. Sur les différentes figures, les mêmes références désignent des éléments identiques ou similaires.
Sur la figure 1 est représentée une installation 10 de traitement d'un écoulement de gaz impur, tel que de l'hydrogène impur. L'installation est destinée à épurer cet écoulement d'hydrogène d'impuretés qu'il contient, telles que de l'eau, du monoxyde de carbone, de l'azote, du méthane, du dioxyde de carbone, des hydrocarbures, etc..
A cet effet, l'installation 10 comporte un certain nombre d'organes contenant du gaz, tels qu'une conduite 1 d'alimentation en hydrogène à épurer, une conduite 2 de production d'hydrogène épuré et dix adsorbeurs, référencés respectivement Rl, R2, R3, ..., R9 et RO. Chaque adsorbeur comporte une bouteille contenant un ou plusieurs matériaux adsorbants à même de retenir tout ou partie des impuretés précitées lorsqu'il sont balayés par l'écoulement d'hydrogène à traiter. Ce ou ces matériaux sont régénérables, c'est-à-dire qu'ils sont capables de restituer des impuretés préalablement adsorbées . A cet effet, l'installation 10 comporte une conduite 5 d'évacuation du gaz résiduaire chargé d'impuretés désorbées provenant des adsorbeurs qui se régénèrent. L'installation 10 peut comporter également une ligne d'approvisionnement en un gaz d'élution GE, par exemple prélevé sur la conduite de production 2. L'installation 10 comporte également d'une part des conduites de raccordement, dont la conduite 7, entre les conduites précitées 1, 2 et 5 et les adsorbeurs Rl à RO, et d'autre part, des conduites de raccordement 3, 4 et 6 reliant les adsorbeurs Rl à RO entre eux, l'une des conduites de raccordement 4 étant raccordée à la ligne d'approvisionnement en gaz d'élution GE. La disposition précise des conduites de raccordement 3, 4, 6 et 7 apparaîtra plus clairement lors de la description du fonctionnement de l'installation 10. De plus, toutes ces conduites de raccordement sont munies de vannes de régulation de l'écoulement du gaz qui les traverse, dont la disposition apparaîtra également lors de la description du fonctionnement de l'installation.
L'installation 10 comporte en outre une unité 8 de commande des vannes des adsorbeurs de l'installation. Les détails de programmation et de fonctionnement de cette unité seront développés par la suite.
On dispose dans l'installation des dispositifs de détection tels un capteur de pression pour chaque bouteille, ou un capteur de débit pour chaque conduite.
La figure 2 illustre un cycle de fonctionnement de l'installation 10. Sur cette figure, où les temps t sont portés en abscisses et les pressions absolues P en ordonnées, les traits orientés par des flèches indiquent les mouvements et destinations des courants gazeux, et, en outre, le sens de circulation dans respectivement les adsorbeurs Rl à RO : lorsqu'une flèche est dans le sens des ordonnées croissantes (vers le haut du diagramme) , le courant est dit à co-courant dans l'adsorbeur. Si la flèche dirigée vers le haut est située au-dessous du trait indiquant la pression dans l'adsorbeur, le courant pénètre dans l'adsorbeur par l'extrémité d'entrée de cet adsorbeur ; si la flèche dirigée vers le haut est située au-dessus du trait indiquant la pression, le courant sort de l'adsorbeur par l'extrémité de sortie de cet adsorbeur, les extrémités d'entrée et de sortie étant respectivement celles du gaz à traiter et du gaz soutiré en phase de production ; lorsqu'une flèche est dans le sens des ordonnées décroissantes (vers le bas du diagramme) , le courant est dit à contre-courant dans l'adsorbeur. Si la flèche dirigée vers le bas est située au-dessous du trait indiquant la pression de l'adsorbeur, le courant sort de l'adsorbeur par l'extrémité d'entrée de l'adsorbeur ; si la flèche dirigée vers le bas est située au-dessus du trait indiquant la pression, le courant pénètre dans l'adsorbeur par l'extrémité de sortie de l'adsorbeur, les extrémités d'entrée et de sortie étant toujours celles du gaz à traiter et du gaz soutiré en phase de production. Chaque adsorbeur Rl à RO suit le cycle de la figure 2, en étant décalé par rapport à lf adsorbeur le précédant d'une durée appelée « temps de phase » et égale à la durée T du cycle divisée par le nombre d'adsorbeurs en fonction (ici, par dix) . Le cycle de la figure 2 comporte donc dix temps de phase et illustre la dualité "temps de phase/adsorbeurs", à savoir qu'à tout instant du fonctionnement de l'installation 10, chaque adsorbeur est dans un temps de phase différent, ce qui revient à dire que l'état du fonctionnement d'un adsorbeur est, à tout instant du fonctionnement de l'installation, déterminé par le temps de phase dans lequel est cet adsorbeur.
Le fonctionnement de l'installation 10 va être d'abord explicité en se contentant de décrire le fonctionnement des adsorbeurs Rl à RO durant un seul temps de phase, étant entendu que le fonctionnement des adsorbeurs durant le reste du cycle se déduit par répétition en décalant l'ordre des adsorbeurs.
A cet effet, on considère par exemple le temps de phase durant lequel l' adsorbeur Rl est dit "maître", c'est- à-dire qu'il commence sa phase d'adsorption à une haute pression Pad, supérieure à la pression atmosphérique Patmor tel qu'illustré sur la figure 31. De façon concomitante, 1' adsorbeur R2 suit le diagramme de la figure 311, l' adsorbeur R3 suit le diagramme de la figure 3III, et ainsi de suite, jusqu'à l' adsorbeur RO qui suit le diagramme de la figure 3X.
Pour faciliter la lecture, seules les vannes ouvertes durant au moins une partie de ce temps de phase, repéré par commodité entre les temps t=0 et t=T/10, sont représentées sur les figures 2 et 31 à 3X. Par commodité de numérotation, ces vannes seront désignées pour la description de cette installation par la lettre V suivie de deux caractères X, Y selon les conventions suivantes : X est le numéro de l'adsorbeur auquel est associée la vanne, et
Y est le numéro d'un ensemble de vannes ayant la même fonction et associé à une des conduites de l'installation, le numéro 1 étant associé à une fonction "alimentation" de la conduite d'alimentation 1, le numéro 2 étant associé à une fonction "production" de la conduite de production 2, le numéro 3 étant associé à une fonction "équilibrage inférieur de pression" des conduites de raccordement 3, le numéro 4 étant associé à une fonction "élution" des conduites de raccordement 4, le numéro 5 étant associé à une fonction « évacuation du gaz résiduaire » de la conduite 5, le numéro 6 étant associé à une fonction "équilibrage supérieur de pression" des conduites de raccordement 6, et le numéro 7 étant associé à une fonction "repressurisation finale" de la conduite de raccordement 7.
II est important de noter que l'agencement des vannes de mise en œuvre du fonctionnement de l'installation 10 est volontairement simplifié, tant par commodité de description que de représentation ; des aménagements particuliers, comportant notamment moins de vannes moyennant des conduites transversales à toute l'installation par exemple, sont à la portée de l'homme de l'art, sans sortir du cadre de l'invention.
Préalablement au début du temps de phase représenté sur les figures 31 à 3X, c'est-à-dire avant l'instant t=0, les vannes VOl, V02, V45 et V55 sont ouvertes durant au moins la fin du temps de phase précédant le temps de phase considéré représenté sur les figures 31 à 3X. Pendant ce dernier, les adsorbeurs Rl et RO sont en adsorption, les autres adsorbeurs étant en régénération.
Plus précisément, à l'instant t=0 : - en plus des vannes VOl et V02, les vannes VlI et V12 sont ouvertes pour assurer la production d'une partie du flux d'hydrogène épuré ;
- les vannes V26, V27 et V96 sont ouvertes pour permettre au moins une partie des flux issus respectivement des adsorbeurs Rl, R9 et RO de recomprimer l'adsorbeur R2 ; les vannes V33 et V83 sont ouvertes pour permettre, par le flux issu de l'adsorbeur R8, de recomprimer l'adsorbeur R3 ; - les vannes V64 et V65 sont ouvertes pour permettre d'amener la pression de l'adsorbeur R6 à la pression basse du cycle et pour permettre l'élution du matériau adsorbant de la bouteille R6 ; et
- en plus de la vanne V55, les vannes V54 et V74 sont ouvertes pour permettre l'élution de l'adsorbeur R5 par le flux issu de l'adsorbeur R7.
De plus, de façon sensiblement concomitante à cet instant t=0, les vannes de mise en production de l'adsorbeur R9, qui était en adsorption durant le temps de phase précédant le temps de phase détaillé sur les figures
31 à 3X, sont fermées.
Puis, à partir de l'instant t = Xl où la pression dans l'adsorbeur R2 est sensiblement égale à la pression dans l'adsorbeur R9 : - les vannes V26 et V96 sont fermées, la recompression ultérieure de l'adsorbeur R2 étant alors plus lente .
Puis, à partir de l'instant t = X2 où la pression dans l'adsorbeur R3 est sensiblement égale à la pression dans l'adsorbeur R8 :
- la vanne V33 est fermée et la vanne V43 est ouverte pour permettre de commencer la repressurisation de l'adsorbeur R4 ; - les vannes V44 et V45 sont fermées, la totalité du flux issu de l'adsorbeur R7 alimentant alors l'adsorbeur R5 ; et les vannes V36 et V96 sont ouvertes pour permettre de recomprimer d'avantage l'adsorbeur R3 par le flux issu de R9.
Enfin, à l'instant t = T/10 où la pression dans l'adsorbeur R2 est sensiblement égale à la pression dans l'adsorbeur Rl, les vannes V27, V96, V83, V74, V33, V43 et V36 sont fermées pour passer du temps de phase décrit jusqu'ici au temps de phase suivant.
Ainsi, bien que le graphique de la figure 2 semble représenter deux conduites de raccordement 6 et 3, il est plus exact de considérer qu'il s'agit en fait de la même conduite parcourue de manière successive par deux écoulements différents au cours d'un même temps de phase.
Le fonctionnement de l'installation 10 durant les autres temps de phase du cycle se déduit du fonctionnement ci-dessus, en considérant comme maître pendant le temps de phase suivant l'adsorbeur R2, puis l'adsorbeur R3, et ainsi de suite, jusqu'à l'adsorbeur RO.
L'ensemble des opérations de commande des vannes de l'installation, pour les dix temps de phase du cycle, forme ce qu'il est courant d'appeler un séquenceur de commande de l'unité 8, qui est à implémenter.
Pour cela, on introduit des paramètres : on associe à chaque temps de phase successif du cycle un paramètre d'identification de l'état de fonctionnement de l'adsorbeur qui est dans ce temps de phase. Ainsi, sur le temps de phase représenté sur la figure 2, le paramètre d'état j est associé au temps de phase dans lequel l'adsorbeur commence son adsorption, le paramètre d'état i est associé au temps de phase qui suit et dans lequel l'adsorbeur termine son adsorption, le paramètre d'état h est associé au temps de phase qui suit et dans lequel l'adsorbeur commence sa dépressurisation, et ainsi de suite pour les paramètres g, f, e, d, c, b et a. Ces paramètres d'état sont indiqués en abscisses du diagramme de la figure 2. Il est ainsi nécessaire d'introduire autant de paramètres qu'il y a de temps de phase .
De plus, ces paramètres sont dits "mobiles", dans le sens où ils peuvent correspondre à n'importe lequel des dix adsorbeurs, selon le moment considéré du cycle. Ainsi, si à un instant donné le paramètre j correspond à l'adsorbeur Rl (j=l) , au bout d'une durée valant le cinquième du temps de cycle T, ce paramètre j correspondra à l'adsorbeur R3 (j=3) .
Puis on définit une séquence paramétrée d'étapes de commande de l'installation 10 pendant uniquement un temps de phase donné, chaque adsorbeur n'étant pas repéré par son numéro, mais par le paramètre d'identification de l'état de fonctionnement de cet adsorbeur pendant la période de temps relative au temps de phase choisi. En d'autres termes, cela revient à décrire le fonctionnement de l'installation sur un temps de phase donné, de la même façon qu'il a été décrit en regard des figures 31 à 3X, mais en repérant chaque adsorbeur par un des paramètres variables a, ..., j, en fonction du temps de phase choisi. Ainsi, à chaque temps de phase, on peut définir un ensemble de systèmes dans l'installation, qui remplissent sélectivement une fonction de production, d'élution, de dépressurisation, de repressurisation continue ou de repressurisation finale, et qui comprennent chacun au moins deux organes reliés entre eux par une conduite de raccordement portant une vanne ouverte, de manière variable au cours du temps de phase, sous la commande de l'unité de commande 8.
L'ouverture de chacune des vannes de l'installation est caractérisée par un paramètre d'ouverture de la vanne. Pour l'exemple de la description ici faite, le paramètre utilisé est obtenu à partir du CV de la vanne, paramètre proportionnel au débit passant à travers la vanne. A partir du CV, on obtient le paramètre d' ouverture de la vanne (pourcentage d'ouverture) par exemple par application d'une relation linéaire ou non-linéaire fournie par le fabricant de la vanne. Néanmoins, on peut utiliser tout type de paramètre adapté dans le cadre de l'invention, tel que la position de la vanne, ou autre. Pour chacune des vannes placées sur une conduite de raccordement reliant entre eux deux organes tels que deux bouteilles d'adsorbant ou une bouteille d'adsorbant et une conduite, on met en œuvre le procédé décrit ci-après, présenté de manière synthétique sur la figure 4. De manière répétée au cours de chaque étape : on calcule une valeur de consigne pour un paramètre physique de l'écoulement tel la différence de pression entre les deux organes, à partir de la valeur de consigne, on calcule un CV prévisionnel pour la vanne en question, on mesure une valeur réelle du paramètre physique de l'écoulement, tel une différence de pression réelle entre les deux bouteilles d'adsorbant, on calcule la commande de CV à appliquer à la vanne à partir du CV prévisionnel, et d'un paramètre correcteur appliqué à l'erreur entre une fonction de la valeur mesurée et la fonction de la valeur de consigne pour le paramètre physique de l'écoulement, tel la différence de pression mesurée et la valeur de consigne pour la différence de pression, on modifie (si nécessaire) l'ouverture de la vanne .
On notera en particulier que la régulation peut être mise en œuvre en fonction de la différence de pression, ou d'une fonction y appropriée de cette différence de pression, y pouvant par exemple être la fonction identité, une fonction de normalisation, une racine carrée, ou autre...
Le paramètre physique de l'écoulement peut être une différence de pression, un débit, ou tout autre paramètre approprié. Par exemple, on pourrait utiliser comme paramètre physique de l'écoulement, dans le cadre du procédé de réglage, la vitesse d' attrition dans une bouteille fournissant le gaz lors d'une étape d'équilibrage, ou le débit sortant pour les étapes d' élution ou de dépressurisation du procédé de production.
Le ou les paramètres correcteur sont fixés une fois pour toutes, pour chaque étape choisie parmi une étape d' élution, d'équilibrage, de dépressurisation, de repressurisation continue ou de repressurisation finale, lors de la mise en œuvre d'un procédé de réglage de l'unité de commande de l'installation au cours duquel le ou les paramètres correcteurs sont définis comme explicité ci- après en relation avec les figures 6 à 12. Pour chaque étape, on calcule la valeur de consigne à chaque temps t, par exemple de manière linéaire, comme représenté sur la Figure 5a, entre la différence de pression mesurée au début du temps d'étape et la consigne de différence de pression à obtenir à la fin du temps d'étape :
ΔP(0 = ΔPmιt + (APfinal - APmιt)-L,où
Isp
ΔP(t) est la différence de pression au temps t, Δ Pmι1 est la différence de pression au début du temps d'étape,
APfinal est la consigne de différence de pression à la fin du temps d'étape, t est le timer de l'étape considérée, et Tsp est la durée prévue de l'étape considérée. Néanmoins, la valeur de consigne pourrait être obtenue par toute autre fonction décroissante appropriée telle qu'un carré, une exponentielle, ou autre. Dans certains modes de réalisation, on peut prévoir que le CV est gardé constant pendant un délai transitoire au début de chaque étape, pendant quelques dixièmes de secondes à quelques secondes (par exemple de 1 à 5 secondes), avant de mettre en œuvre le procédé ici décrit. Pendant ce délai transitoire, le débit et la variation de pression peuvent s'installer.
En outre, pour des aspects de sécurité, il peut être, dans certaines applications, utile de faire en sorte, par construction, que la commande de CV appliquée à la vanne ne dépasse pas un CV maximal autorisé correspondant à une vitesse d' attrition du gaz dans les bouteilles. L'évolution dans le temps de ces valeurs est représentée à titre d' exemple sur la figure 5b pour une étape d' équilibrage . Alors, on inclut dans le calcul de la commande de
CV une comparaison de la commande de CV calculée avec le CV maximal autorisé pour la vanne, calculé par ailleurs afin de respecter une vitesse d'écoulement correcte dans la vanne, et on envoie à la vanne le CV maximal si la commande de CV calculée est supérieure au CV maximal.
Pour l'estimation du CV, on peut par exemple utiliser le modèle établi par la société américaine des instruments (l'Instrument Society of America (I.S.A.)) dans ISA-S75.01-1985 (R 1995) « Flow Equation for Sizing Control Valves » (« équation d'écoulement pour le dimensionnement de vannes de contrôle ») , et donnant une relation entre CV, débit de la vanne, et pression en amont et en aval de la vanne. Alternativement, on pourrait utiliser tout autre relation adaptée, basée sur une norme, l'expérience, ou autre. Le modèle de l'I. S.A. spécifie que ces paramètres sont liés par la formule :
)
Figure imgf000022_0001
dans laquelle : Q est le débit de la vanne [Nm3/h] ,
Pamont est la pression amont de la vanne [bara] ,
Y est le facteur d'expansion de la vanne Y=(I- x(t) /3Fkxt) , borné entre 0,67 et 1, x= ΔP/ Pamontr x étant saturé à xt (correspondant à x pour un écoulement gazeux critique) [sans unité] ,
ΔP est la différence de pression entre la pression amont et la pression aval [barg] ,
Fp est un facteur de géométrie lié à l'ajustement de la vanne à la tuyauterie [sans unité] , Fk = k/1,40 où k = CP/CV est le rapport des chaleurs spécifiques du gaz [sans unité] ,
Sg est la gravité spécifique du gaz par rapport à l'air [sans unité],
T est la température amont du gaz [K] , et Z est le facteur de compressibilité du gaz [sans unité] .
Bien entendu, on peut utiliser toute autre relation adaptée liant CV, débit et pression, en particulier si les vannes sont équipées de silencieux. Pour l'exemple présenté ici, on estime FP, Z et Fk sensiblement égaux à 1, néanmoins on pourra utiliser toute relation adaptée pour les valeurs de ces paramètres .
L'équation présentée permet de calculer le CV prévisionnel à partir de la consigne ΔP(t) (cf. Figure 5a) en fonction des autres paramètres de la vanne. Néanmoins, dans le cadre de l'invention, on pourrait également calculer par exemple le débit en fonction des paramètres de la vanne tels le CV.
Les figures 6 à 10 représentent des modèles des différentes étapes du procédé de production de gaz permettant chacun de déterminer une valeur de paramètre correcteur à régler pour l'unité de commande lors de la mise en œuvre du procédé de réglage selon l'invention. La figure 6 représente une étape d' élution entre la bouteille Rf et la bouteille Rd (FIG. 2) . Les vannes Vf4 et Vd5 sont entièrement ouvertes au cours de cette étape, la vanne Vd4 étant pilotée.
De manière théorique, on peut écrire que la pression Pf de la bouteille Rf est soumise à la relation : dPf fi dA (2 ) dt 3600Fe(? où Veq est le volume équivalent (débit d'hydrogène désorbé par bar) [Nm3 H2/bar] .
La pression Pd de la bouteille Rd est la pression de la conduite 5 d'évacuation du gaz résiduaire, qu'on peut considérer comme constante, et par conséquent dPf/dt=dΔP/dt.
En combinant les équations (1), (2) et l'expression de Y, on obtient pour l'étape d' élution un terme prévisionnel de CV :
Figure imgf000023_0001
dans laquelle :
Qd4 = (ΔPinit-ΔPfinal, Sp ) 3600Veq/TSP ,
ΔPfinai,sp est la consigne d'écart de pression final pour l'étape d' élution,
ΔPinit est l'écart de pression mesuré au début de l'étape d' élution,
Presiduaire,imt est la pression dans la conduite 5, mesurée au début de l'étape d' élution, et TSP est la consigne de durée de l'étape d'élution.
Pour le contrôle de la vanne, on obtient à partir des expressions (1) et (2) une relation entre la variable mesurée (la pression) et la variable de contrôle (le CV) :
Figure imgf000024_0001
Cette relation se résout, en considérant Y pour une étape d'élution comme constant, en :
Figure imgf000024_0002
(5 ) , où la saturation signifie que ΔP ne peut pas descendre en dessous de 0. L'équation (5) s'écrit, en terme de fonction de transfert comme un système intégral saturé :
Figure imgf000024_0003
Le facteur K ainsi obtenu dépend uniquement des paramètres caractéristiques de l'installation Fp et Veq, et des paramètres caractéristiques de l'écoulement Sg, T et Z . En outre, pour une étape d'élution, Y est considéré comme constant égal à 0,67. Le système se linéarise par rapport à CV en régulant, non pas par rapport à ΔP mais par rapport à une fonction non linéaire y(ΔP) = (arcsinh [V (ΔP/ Présιduaιre>mt ) ] , ou de manière approchée par rapport à y(ΔP) = [V (ΔP/
P ) ] résιduaιre,ιnιt ' J ' On peut par exemple utiliser la méthode de Ziegler-
Nichols qui permet de déterminer les paramètres d'un correcteur PID pour un système intégrateur du type G (s) =e"θs .K/s où θ est un retard. Si on définit le correcteur proportionnel de gain KP, cette méthode donne KP=1/KΘ. θ peut par exemple être déterminé par simulation, en perturbant le processus à réguler. Ce paramètre peut par exemple être choisi entre environ 5 secondes et 100 secondes. Un choix de θ suffisamment grand permet d'éviter de trop grandes oscillations de CV. Un choix de θ suffisamment petit permet d'atteindre les pressions demandées .
On peut en outre ajouter un terme intégral Ki dans le correcteur de pression. On choisit Ki = Ratio x Kp, comme par exemple Ki=O.1KP. De ce fait, Ki dépend également uniquement des paramètres caractéristiques de l'installation et de l'écoulement. Le CV réel s'écrit alors :
CV=ItIaX [ Z-1CV+ ( 1-z"1 ) (CVprevislonnel+Kpε ) +Kτε ; 0 ] , ( 8 ) Où :
Figure imgf000025_0001
où ymes est la fonction de la différence de pression mesurée ΔP utilisée pour la régulation (par exemple y=arcsinh [V (ΔP/ Présιdumre,mt ) ] ou y = V (ΔP/ Présιdumre,mt ) , et ysp est la même fonction appliquée à la consigne de différence de pression ( Présuhιaιret,mt est ici utilisé pour normaliser l'erreur entre la consigne d'écart de pression et l'écart de pression mesurée), et l'opérateur z"1 est l'opérateur retard d'une période pour un système échantillonné. L'utilisation d'une fonction y non linéaire permet d'améliorer la robustesse des paramètres correcteurs face à des perturbations .
On notera ici que dans le cas d'un système purement proportionnel, où Ki est choisi nul, l'équation (8) s'écrit :
CV=max [ CVprevislonnel+Kpε ; 0 ] , ( 8 ' )
Le paramètre d'ouverture de la vanne est directement obtenu à partir du paramètre prévisionnel d' ouverture de la vanne et du paramètre correcteur proportionnel appliqué à l'erreur entre la fonction de la valeur de consigne actuelle et la fonction de la valeur mesurée actuelle.
Dans le cas proportionnel-intégral, le CV est en outre obtenu à partir d'un paramètre correcteur intégral appliqué à cette erreur, d'une valeur antérieure du paramètre d'ouverture, d'une valeur antérieure du paramètre prévisionnel d'ouverture et du paramètre correcteur proportionnel appliqué à une valeur antérieure de l'erreur.
Dans une variante de réalisation, on peut en outre s'assurer qu'un problème de régulation ne va pas conduire à un écoulement à une vitesse trop rapide dans les bouteilles . Un tel problème de régulation pourrait par exemple être dû à un réglage trop élevé d'un correcteur ou à la défaillance d'un capteur dont la mesure est utilisée par le correcteur. Pour cela, on calcule le CVmax qui correspond à un CV maximal autorisé pour la vanne au cours de l'étape. Par exemple, le CVmax correspond au CV permettant l'écoulement du gaz dans la bouteille à une fraction prédéterminée x de la vitesse d'attrition, qui peut être approchée par la formule de Ledoux (par exemple x=60% pour l'étape d' élution ci-décrite) .
La vitesse du gaz dans la bouteille peut par exemple s'écrire :
Figure imgf000026_0001
où : v est la vitesse en haut ou en bas de la bouteille [m/s] ,
Q est le débit passant en haut ou en bas de la bouteille [Nm3/h] , Tads est la température dans la bouteille [K] ,
Pads est la pression dans la bouteille [bara] , et
Sads est la section de la bouteille [m2] .
En outre, la vitesse de Ledoux peut s'écrire :
Figure imgf000027_0001
OÙ
De est le diamètre équivalent moyen de l'adsorbant dans la bouteille [m] , pads est la masse volumique moyenne de l'adsorbant dans la bouteille [kg/m3] , et pgaz est la masse volumique du gaz [kg/Nm3] . De (9) et (10) on obtient une valeur du débit maximal à ne pas dépasser dans la bouteille. En combinant avec (1), et pgaz=l,29Sg, on obtient une expression du CVmax autorisé pour la vanne :
"** 195FPY V *1,291,01325 ^ΔP^Ct)
On notera que le CVMAX ainsi défini ne dépend pas de la masse volumique du gaz, ce qui est intéressant en cas de problème non identifié sur un gaz.
Le CVMAX peut être utilisé dans le cadre de la régulation, en modifiant, selon cette variante de réalisation, l'équation (8) de la manière suivante, pour implanter la saturation à CVMAX à l'intérieur de l'intégrateur :
CV=min [max [ Z-1CV+ ( 1 - z"1 ) ( CVprévislonnel+Kp ε ) +Kτ ε ; 0 ] ; CVMAX ] , ( 12 ) .
On régule ainsi en pression la vanne Vd4.
La figure 7 représente une étape de dépressurisation de la bouteille Re (FIG. 2) . La vanne Ve5 est pilotée au cours de cette étape. Le deuxième organe est ici la conduite 5 d'évacuation de gaz résiduaire.
De manière théorique, on peut écrire que la pression Pe de la bouteille Re est soumise à la relation :
Figure imgf000027_0002
On peut ici utiliser le volume équivalent, mais le gaz sortant de la bouteille étant relativement différent de l'hydrogène pur, on pourra également raffiner l'estimation de cette grandeur. L'étape de dépressurisation est assez similaire à l'étape d'élution, à ceci près que la consigne d'écart final de pression est nulle. Par conséquent, on obtient pour l'étape de dépressurisation un terme prévisionnel de CV :
Figure imgf000028_0001
dans laquelle :
Qe5 = (ΔPinit-ΔPfinal,Sp)3600Veq/TSP,
ΔPflnai,sp est la consigne d'écart de pression final pour l'étape de dépressurisation (=0), ΔPinit est l'écart de pression mesurée au début de l'étape de dépressurisation,
PréSιduaιre,ιnιt QS^- ^3- pression dans la ligne 5, mesurée en début de l'étape de dépressurisation, et
TSP est la consigne de durée de l'étape de dépressurisation.
Pour le contrôle de la vanne, on peut également écrire :
Figure imgf000028_0002
(16) . Le facteur K ainsi obtenu dépend uniquement des paramètres caractéristiques de l'installation Fp et Veq, et des paramètres caractéristiques de l'écoulement Sg, T et Z . En outre, pour une étape de dépressurisation, Y est considéré comme constant égal à 0,83.
Par conséquent, les relations établies pour l'élution sont également valables pour l'étape de dépressurisation, à savoir : CV=ItIaX[Z-1CV+ (1-z"1) (CVprevislonnel+Kpε) +Kl£ ;0],(17), et, dans la variante :
CV=min[max [Z-1CV+ (1-z"1) (CVprevislonnel+Kpε) +Kτε ;0] ;CVMAX], (18), x étant par exemple égal à 160% pour l'étape de dépressurisation. On régule ainsi en pression la vanne Ve5.
La figure 8 représente une étape d'équilibrage
(sans repressurisation continue) entre la bouteille Rg et la bouteille Rb (FIG. 2) . Le gaz s'écoule depuis la bouteille Rg vers la bouteille Rb jusqu'à obtenir une différence de pression donnée, éventuellement nulle, entre ces deux bouteilles . La vanne Vg3 est entièrement ouverte au cours de cette étape, la vanne Vb3 étant pilotée.
De manière théorique, on peut écrire que les pressions des bouteilles Rb et Rg sont soumises aux relations : dPb =_o^ r { 19 ) et ^=__α^ (20 ) dt 3600Fe(? dt 3600Fe?
En combinant les équations ( 1 ) , ( 19 ) et ( 20 ) , on obtient pour l ' étape d' équilibrage un terme prévisionnel de CV :
Figure imgf000029_0001
dans laquelle :
2 . Qb3 = (ΔPinit-ΔPfinal,Sp) 3600Veq/TSp,
ΔPflnai,sp est la consigne d'écart de pression final pour l'étape d'équilibrage (par exemple égal à 0), ΔPinit est l'écart de pression mesurée au début de l'étape d'équilibrage,
TSP est la consigne de durée de l'étape d' équilibrage .
Pour le contrôle de la vanne, on obtient à partir des expressions (19) , (20) et (1) une relation entre la variable mesurée (la pression) et la variable de contrôle (le CV) :
Figure imgf000030_0001
Cette relation se résout en considérant comme constant pour une étape d'équilibrage en :
Figure imgf000030_0002
L'équation (23) s'écrit également, en terme de fonction de transfert, comme un système intégral saturé
arcsin ( 24 ) ou
Figure imgf000030_0003
Figure imgf000030_0004
Le facteur K ainsi obtenu dépend uniquement des paramètres caractéristiques de l'installation Fp et Veq, et des paramètres caractéristiques de l'écoulement Sg, T et Z . En outre, pour une étape d'équilibrage sans repressurisation continue, Y est considéré comme constant égal à 0,8.
Le système se linéarise comme décrit précédemment. De même, dans la variante de réalisation, une valeur de x=60% peut être choisie pour l'étape d'équilibrage, et le CVMAX peut être calculé en fonction, en relation avec l'équation (12).
On régule ainsi en pression la vanne Vb3. La figure 9 représente une étape de repressurisation finale (droite de la colonne a) entre la bouteille Rj et la bouteille Ra (FIG. 2) . La vanne Vj2 est entièrement ouverte au cours de cette étape, la vanne Va7 étant pilotée. De manière théorique, on peut écrire que la pression Pa de la bouteille Ra est soumise à la relation : dPa _ Q VS1β7 - , ( 26 ) dt 3600^
La pression de production Pprθd dans la conduite de production 2 étant principalement constante, dPa/dt=- dΔP/dt.
En combinant les équations (1) et (26) on obtient pour l'étape de repressurisation finale un terme prévisionnel de CV :
Figure imgf000031_0001
dans laquelle :
Pprod,imt est la pression de production mesurée au début de l'étape de repressurisation finale,
Qa7 = (ΔξI( - ΔPfinal,SP )3600 Veq/Tsp,
Δ Pfinai,SP est la consigne d'écart de pression final pour l'étape de repressurisation finale,
ΔPιmt est l'écart de pression mesurée au début de l'étape de repressurisation finale, et
Tsp est la consigne de durée de l'étape de repressurisation finale. Pour le contrôle de la vanne, on obtient à partir des expressions (1) et (26) une relation entre la variable mesurée (la pression) et la variable de contrôle (le CV) :
Figure imgf000032_0001
Cette relation se résout en considérant comme constant en étape de repressurisation finale, en :
( 29 )
Figure imgf000032_0002
L'équation (29) s'écrit, en terme de fonction de transfert comme un système intégral saturé :
Figure imgf000032_0003
Le facteur K ainsi obtenu dépend uniquement des paramètres caractéristiques de l'installation Fp et Veq, et des paramètres caractéristiques de l'écoulement Sg, T et Z . En outre, pour une étape de repressurisation finale, Y est considéré comme constant égal à 0,9.
Le système se linéarise par rapport à CV en régulant, non pas par rapport à arcsinh [V (ΔP/Pprod,init) ] mais directement par rapport à [V (ΔP/ Pprod,init) ] .
Dans la variante de réalisation, on obtient une expression du CVmax autorisé pour la vanne :
Figure imgf000032_0004
dans lequel on pourra par exemple prendre x=160% correspondant à un facteur de sécurité pour une bouteille parcourue à contre-courant.
Le CVMAX peut être utilisé dans le cadre de la régulation, en modifiant de même l'équation (8) pour implanter la saturation à CVMAX à l'intérieur de 1' intégrateur .
On régule ainsi en pression la vanne Va7.
La figure 10 représente une étape d'équilibrage avec repressurisation continue entre la bouteille Rj et la bouteille Ra (FIG. 2 partie gauche de la colonne a) . Les vannes Vj 2 et Vhβ sont pleines ouvertes. Les vannes Vaβ et Va7 sont pilotées .
Pour le contrôle de la vanne d'équilibrage Va6, il est difficile d'obtenir une expression similaire à l'expression (22), du fait de l'influence combinée de l'équilibrage et de la repressurisation continue. Au premier ordre, on peut envisager de négliger l'effet de la repressurisation continue et de considérer le cas d'un équilibrage seul. On se rabat alors sur le cas étudié précédemment en relation avec la figure 8.
On régule ainsi en pression la vanne Va6.
Pour le contrôle de la vanne Va7, le terme prévisionnel de CV s'écrit :
Figure imgf000033_0001
dans laquelle :
QSP est la consigne de débit, et
Qa6 est le débit calculé pour la vanne Va6 d'équilibrage, comme décrit précédemment en relation avec la figure 9, et ΔPlnlt = Pprod , init~ Pa, imt •
On peut chercher à piloter la vanne Va7 en débit, afin de pouvoir obtenir un débit de gaz de production sensiblement constant dans la conduite de production 2. Par conséquent, on cherche une relation entre le débit Qa7 et le CV de cette vanne :
Figure imgf000033_0002
On peut par exemple modéliser ce système en posant
Figure imgf000033_0003
Le facteur K ainsi obtenu dépend uniquement du paramètre caractéristique de l'installation Fp et des paramètres caractéristiques de l'écoulement Sg, T et Z . En outre, pour une étape de repressurisation continue, Y est considéré comme constant égal à 0,9.
La consigne de débit peut par exemple être obtenue à partir de la moyenne de la différence entre le débit en entrée de l'installation et le débit de production pendant le temps de phase précédent (dans sa partie « repressurisation finale ») . Cette consigne, calculée sous forme de différence, n'est pas rigoureusement égale au débit passant dans la vanne de repressurisation continue parce qu'il y a un biais lié à l'adsorption dans la bouteille en production. Elle devient cependant cohérente si la mesure utilisée par le régulateur est elle aussi l'écart entre les deux débits. Si le débit d'entrée est amené à changer, on peut appliquer un coefficient correcteur à la consigne ainsi obtenue.
Ce système s'écrit, en terme de fonction de transfert comme un système proportionnel.
La vanne de repressurisation continue est donc réglée en débit selon un modèle de type proportionnel de gain K. Si l'on considère un premier ordre en boucle fermée de constante de temps θ, alors le correcteur associé est un correcteur intégrateur.
Comme précédemment, θ peut par exemple être déterminé par simulation, en perturbant le processus à réguler. Ce paramètre peut par exemple être choisi entre environ 5 secondes et 100 secondes. On régule ainsi en pression la vanne Va7.
Dans les exemples présentés sur les figures 9 et 10, la repressurisation se fait à partir de la bouteille en production reliée à la canalisation de production 2. Dans d'autres exemples de réalisation, la repressurisation pourrait être effectuée depuis la conduite d'alimentation 3, en utilisant comme paramètre physique de l'écoulement, une différence de pression entre la bouteille en production et la bouteille en cours de repressurisation.
L'invention a ici été décrite pour un cycle normal de fonctionnement d'un PSA. Cependant, elle peut tout à fait s'appliquer à un cycle exceptionnel de PSA, tel que par exemple un cycle à 8 bouteilles lorsque l'une au moins des bouteilles est en maintenance, ou autre.
Bien que la description ait ici été donnée en référence à un PSA comportant 10 bouteilles, il va de soi que la régulation ici décrite pourrait également s'adapter à d'autres types de PSA, et par exemple à un PSA à 4 bouteilles, dont le cycle est représenté sur la figure 11.
On remarquera que dans cet exemple de réalisation, le modèle combiné de l'équilibrage et de la repressurisation continue ne correspond pas exactement à celui présenté dans le premier mode de réalisation. En effet, la vanne V23 se situe ici en aval de la jonction entre les conduites de raccordement 6 et 7, ce qui n'est pas le cas sur la figure 9.
Ainsi, la figure 12 représente le modèle combiné d'équilibrage et de la repressurisation continue pour ce deuxième exemple de réalisation. Les vannes V43 et V12 sont entièrement ouvertes au cours de cette étape, la vanne V87 (ou vanne de repressurisation) et la vanne V23 (ou vanne d'équilibrage) sont pilotées.
De manière théorique, on peut écrire que la pression P4 de la bouteille R4 qui fournit le gaz d'équilibrage est soumise à la relation :
Figure imgf000035_0001
La pression P2 de la bouteille R2 qui reçoit le gaz est soumise à la relation :
Figure imgf000035_0002
En combinant les équations (1), (37) et (38) on obtient pour la vanne V87 et l'étape de repressurisation continue un terme prévisionnel de CV :
Figure imgf000036_0001
dans laquelle :
^i: mit "prod, init~^4 , init •
On notera ici que, pour estimer la vitesse maximale autorisée, on peut prendre en compte le fait que le débit passant dans la bouteille en co-courant est égal à la différence entre le débit passant dans la vanne d'équilibrage V23 et le débit passant dans la vanne de repressurisation continue V87.
La vitesse du gaz peut alors s'écrire : fe -g,, 1,01325 TΛ 3600S- P,Λ 273,15 Par conséquent , et comme pgaz=l , 29Sg, on obtient une expres sion du CVmax autorisé pour la vanne V23 :
Figure imgf000036_0002
On notera qu'on prendra par exemple x=0,6 pour déterminer le facteur de sécurité lié à la bouteille R4. On régule ainsi en pression la vanne V23.
On peut par exemple prévoir que le calcul sera effectué toutes les secondes pour les étapes d'équilibrage et de repressurisation continue, toutes les 2 secondes pour les étapes d' élution et de dépressurisation, et toutes les 4 secondes pour les étapes de repressurisation finale, néanmoins cette périodicité pourra être fixée en fonction de la pente de la rampe de pression à réaliser, par exemple entre 0,1 et 10 secondes. L'invention n'est ainsi pas limitée aux deux exemples d'installation présentés ici, mais l'homme du métier sera à même de mettre en œuvre les modèles correspondant à une nouvelle installation, comme ici décrit, pour réguler l'écoulement dans les vannes.
La régulation ici décrite se transpose facilement d'une installation à une autre car les paramètres du processus sont pris en compte automatiquement dans la variable K au cours des réglages . De manière pratique, au moment de la mise en service de l'installation, le procédé de réglage des paramètres correcteurs de l'unité de commande des vannes d'une installation de production de gaz par adsorption est mis en oeuvre par un logiciel adapté pour régler les correcteurs en fonction des paramètres caractéristiques d'écoulement, d'installation et des paramètres θ et ratio entrés par l'utilisateur, par exemple un logiciel de supervision. Puis, au cours de la production, l'unité de commande pilote l'installation à partir d'un programme automate prenant en compte les paramètres correcteurs réglés pour commander l'ouverture des vannes.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de réglage d'une unité de commande d'une installation de traitement de gaz par adsorption, ladite installation étant destinée à mettre en œuvre un procédé de production de gaz au cours duquel un gaz d'alimentation chargé en impuretés est fourni à l'installation, pour produire au moins un gaz provenant de la purification du gaz d'alimentation, ledit procédé de production comprenant une pluralité d'étapes, au cours desquelles un gaz est soumis à un écoulement dans ladite installation, ledit écoulement présentant un certain nombre de paramètres caractéristiques d'écoulement, ladite installation comprenant une pluralité d'organes : une conduite d'alimentation (1) en un gaz d'alimentation à purifier par adsorption, une conduite de production (2) d'un gaz purifié, - une conduite d'évacuation (5) d'un gaz résiduaire, contenant des impuretés du gaz d'alimentation, une pluralité de bouteilles (Ri, ..., R0) contenant au moins un matériau adsorbant, ladite installation comprenant en outre : - une pluralité de conduites de raccordement (3,
4, 6, 7), chacune reliant entre eux deux desdits organes, une vanne sur chacune desdites conduites de raccordement, chaque vanne étant adaptée pour être sélectivement fermée pour interdire un flot de gaz dans la conduite de raccordement, ou ouverte selon un paramètre d'ouverture variable, pour autoriser un flot de gaz dans la conduite de raccordement, un système étant défini par deux organes reliés entre eux par une conduite de raccordement munie d'une vanne, ladite installation présentant un certain nombre de paramètres caractéristiques d'installation, et ladite unité de commande (8) , adaptée pour commander l'ouverture de la vanne selon un paramètre d'ouverture pour chaque système, pour chaque étape, pour chaque système, un dispositif de détection adapté pour mesurer une valeur mesurée d'un paramètre physique de l'écoulement de gaz pour le système, ladite unité de commande (8) étant adaptée pour calculer, pour chaque système, un paramètre prévisionnel d'ouverture de la vanne, une valeur de consigne pour ledit paramètre physique de l'écoulement, une erreur entre une fonction de ladite valeur de consigne et la fonction de ladite valeur mesurée, ladite unité de commande étant adaptée pour commander l'ouverture de la vanne selon ledit paramètre d'ouverture pour chaque système, pour chaque étape, sur la base au moins dudit paramètre prévisionnel d'ouverture de la vanne, et d'au moins un paramètre correcteur appliqué à ladite erreur, ledit procédé de réglage comprenant une étape (a) au cours de laquelle on règle ledit paramètre correcteur en fonction desdits paramètres caractéristiques d'installation et d'écoulement.
2. Procédé de réglage selon la revendication 1, dans lequel le paramètre correcteur est un paramètre correcteur proportionnel appliqué à une erreur entre la fonction de la valeur de consigne actuelle et la fonction de la valeur mesurée actuelle.
3. Procédé de réglage selon la revendication 2, dans lequel, lors de la mise en œuvre du procédé de production de gaz, l'unité de commande est adaptée pour commander l'ouverture de la vanne selon en outre un paramètre d'ouverture antérieur pour la vanne, une valeur antérieure du paramètre prévisionnel, ledit paramètre correcteur proportionnel appliqué à une erreur entre la fonction d'une valeur de consigne antérieure pour le paramètre physique de l'écoulement et la fonction d'une valeur mesurée antérieure pour le paramètre physique de l'écoulement, et d'un deuxième paramètre correcteur intégral appliqué à ladite erreur entre la fonction d'une valeur de consigne actuelle pour le paramètre physique de l'écoulement et la fonction d'une valeur mesurée actuelle pour le paramètre physique de l'écoulement, au cours de l'étape (a) du procédé de réglage, on règle ledit deuxième paramètre correcteur intégral en fonction desdits paramètres caractéristiques d'installation et d'écoulement.
4. Procédé de réglage selon la revendication 1 dans lequel, lors de la mise en œuvre du procédé de production de gaz, l'unité de commande est adaptée pour commander l'ouverture de la vanne selon en outre un paramètre d'ouverture antérieur pour la vanne, et une valeur antérieure du paramètre prévisionnel, et dans lequel le paramètre correcteur est un paramètre correcteur intégral appliqué à l'erreur entre la fonction de la valeur de consigne antérieure et la fonction de la valeur mesurée antérieure, procédé de réglage dans lequel, au cours de l'étape (a) on règle ledit paramètre correcteur intégral en fonction des paramètres de l'installation et de 1' écoulement .
5. Procédé de réglage selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel, lors de la mise en œuvre du procédé de production de gaz, l'unité de commande est adaptée pour commander l'ouverture de la vanne selon en outre une valeur maximale autorisée pour ledit paramètre d' ouverture .
6. Procédé de production de gaz par adsorption au moyen d'une installation comprenant une unité de commande réglée par un procédé de réglage selon l'une des revendications 1 à 5, ledit procédé de production de gaz comprenant une pluralité d'étapes distinctes s 'étendant entre un début de phase et une fin de phase, au cours de chacune desquelles, pour au moins un système comprenant un premier et un deuxième organes, une conduite de raccordement reliant entre eux lesdits premier et deuxième organes, une vanne sur ladite conduite de raccordement, un gaz s' écoulant entre le premier et le deuxième organe, on met en œuvre de manière répétée les étapes suivantes :
(b) on calcule la valeur de consigne pour le paramètre physique de l'écoulement,
(c) on mesure, par le dispositif de détection, ladite valeur mesurée dudit paramètre physique de l'écoulement,
(d) on calcule le paramètre prévisionnel d'ouverture de la vanne en fonction du temps, des paramètres caractéristiques d'installation et d'écoulement, et de ladite valeur de consigne pour le paramètre physique de l'écoulement, et
(e) on calcule la valeur dudit paramètre d'ouverture en fonction du paramètre correcteur réglé à l'étape (a), appliqué à l'erreur entre la fonction de ladite valeur mesurée et la fonction de ladite valeur de consigne pour ledit paramètre physique de l'écoulement et du paramètre prévisionnel d'ouverture.
7. Procédé de production selon la revendication 6, dans lequel on mesure un point de fonctionnement du système en début d'étape, et dans lequel, pendant l'étape (e) , ladite erreur est calculée en appliquant à ladite valeur mesurée et à ladite valeur de consigne une fonction non- linéaire de normalisation au point de fonctionnement.
8. Procédé de production selon la revendication 6 ou la revendication 7 dans lequel on met en outre en œuvre, de manière répétée, les étapes suivantes : (f) on calcule une valeur maximale autorisée pour le paramètre d'ouverture, en fonction du temps, des paramètres caractéristiques de l'installation et de l'écoulement, et de ladite valeur mesurée pour le paramètre physique de l'écoulement.
(g) on compare ladite valeur maximale autorisée à la valeur calculée à l'étape (e) et, si ladite valeur maximale autorisée est inférieure à ladite valeur calculée, on utilise ladite valeur maximale autorisée à la place de ladite valeur calculée.
9. Procédé de production selon l'une des revendications 6 à 8, dans lequel le premier organe est une première bouteille (Rl, ..., RO) contenant un adsorbant, dans lequel le deuxième organe est une deuxième bouteille (Rl, ..., RO) contenant un adsorbant, ledit procédé de production comprenant une étape d'équilibrage au cours de laquelle un gaz s'écoule dans la conduite de raccordement depuis la première vers la deuxième bouteille jusqu'à ce qu'une valeur de différence de pression entre la pression dans la deuxième bouteille et la pression dans la première bouteille atteigne une valeur donnée, et au cours de laquelle on met en œuvre au moins les étapes (b) à (e) avec comme paramètre physique de l'écoulement une différence de pression entre la première et la deuxième bouteille.
10. Procédé de production selon l'une des revendications 6 à 8, dans lequel le premier organe est une première bouteille (Rl, ..., RO) contenant un adsorbant, dans lequel le deuxième organe est une deuxième bouteille (Rl, ..., RO) contenant un adsorbant, ledit procédé de production comprenant une étape d' élution au cours de laquelle un gaz s'écoule dans la conduite de raccordement de la première à la deuxième bouteille pour rincer ladite deuxième bouteille, et au cours de laquelle on met en œuvre au moins les étapes (b) à (e) avec comme paramètre physique de l'écoulement une différence de pression entre la première et la deuxième bouteille.
11. Procédé de production selon l'une des revendications 6 à 8, dans lequel ladite installation comprend une conduite de production (2) délivrant un gaz produit par l'installation, et une conduite d'alimentation (1) en gaz alimentant ladite installation, dans lequel le deuxième organe est une deuxième bouteille (Rl,..., RO) contenant un adsorbant, ledit procédé de production comprenant une étape de repressurisation finale au cours de laquelle un gaz s'écoule dans une conduite de raccordement vers la deuxième bouteille pour augmenter une valeur de pression dans la deuxième bouteille, et au cours de laquelle on met en œuvre au moins les étapes (b) à (e) avec comme paramètre physique de l'écoulement une différence de pression entre une première bouteille reliée à l'une des conduites de production et d'alimentation et la deuxième bouteille .
12. Procédé de production selon l'une des revendications 6 à 8, dans lequel le premier organe est une première bouteille contenant un adsorbant, dans lequel le deuxième organe est une conduite d'évacuation de gaz résiduaire (5) , ledit procédé de production comprenant une étape de dépressurisation au cours de laquelle un gaz s'écoule dans la conduite de raccordement entre la première bouteille et la conduite d'évacuation jusqu'à atteindre un niveau de pression basse pour la première bouteille, et au cours de laquelle on met en œuvre au moins les étapes (b) à (e) avec comme paramètre physique de l'écoulement une différence de pression entre la première bouteille et la conduite d'évacuation de gaz résiduaire.
13. Procédé de production selon la revendication 6 ou la revendication 7, dans lequel ladite installation comprend en outre une conduite d'alimentation (1) en gaz alimentant ladite installation selon un débit d'alimentation, une conduite de production (2) de l'installation délivrant un gaz produit selon un débit de production, et une bouteille d'équilibrage, un gaz s' écoulant de la bouteille d'équilibrage à une deuxième bouteille pendant une étape d'équilibrage jusqu'à ce qu'une valeur de différence de pression entre la pression dans la deuxième bouteille et la pression dans la bouteille d'équilibrage atteigne une valeur donnée, dans lequel le premier organe est une première bouteille reliée à une des conduites d'alimentation et de production, dans lequel le deuxième organe est ladite deuxième bouteille (Rl, ..., RO), ledit procédé de production comprenant une étape de repressurisation continue au cours de laquelle un gaz s'écoule dans la conduite de raccordement entre ladite conduite et la deuxième bouteille jusqu'à obtenir une pression de fonctionnement dans la deuxième bouteille, et au cours de laquelle on met en œuvre au moins les étapes (b) à (e) avec comme paramètre physique de l'écoulement une différence entre le débit de production et le débit d' alimentation .
14. Procédé de production selon l'une quelconque des revendications 6 à 13 dans lequel, au cours d'au moins une étape de procédé de production, on ne met en œuvre au moins l'étape (e) qu'après un délai transitoire en début de l'étape de procédé de production, ledit délai transitoire étant d'une durée suffisante pour que le paramètre physique de l'écoulement prenne une valeur représentative.
15. Programme comprenant des moyens de code de programme adaptés pour mettre en œuvre le procédé selon l'une des revendications 1 à 5 quand ledit programme est exécuté sur une machine programmable.
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